量子计算机最终形态会是什么？微软、谷歌、英特尔、IBM 最新研究
新智元原创
作者：中国科学技术大学计算机学院嵌入式系统实验室
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【新智元导读】 每个量子位可以使1或0或这两个状态的叠加，因此量子计算机可以表示比传统的二进制更多的数据，因此量子计算机潜在的算力和速度远超过传统计算机。本文通过四篇论文分析了计算机领域从事量子计算研究的最新进展。本文还指出，未来的量子计算很大可能混合现有的各种技术，如用超导体量子位对算法进行运算，再用稳定的离子存储运算结果，机器或网络节点间信息的传递则使用光子。
量子计算是利用量子相关理论来大幅度加速计算，微软，谷歌，英特尔和 IBM 等公司都投入了数千万美元，通过不同的量子位技术来实现一台实用的量子计算机。量子计算机处理的信息是以量子位的形式存储的，每个量子位可以使1或0或这两个状态的叠加，因此可以表示比传统的二进制更多的数据。
在实现量子计算设备的技术主要有两种不同的想法。一种方法是超导量子位，这种方法是一股无电阻电流沿电流回路来回震荡，注入的微波信号使电流兴奋，从而进入叠加态的技术，其依赖于超冷的电路，而且当芯片实现更大规模的生产时可以提供制造优势，但是有一个缺陷是：环境噪声的影响。另一种方法是囚禁离子，这种方法是由于离子的能量取决于电子的位置，使用精心调整的结构可以冷却并囚禁离子，使其进入叠加态。对温度等环境因素要求少，但是也存在如何控制真空内多个带电原子等问题。
加拿大的 D-Wave 公司首先实现了16个超导量子比特的量子计算机，可以提高优化问题的计算效率。谷歌和 IBM 都是用超导量子技术来实现计算设备。英特尔投资荷兰代尔夫特理工大学的量子技术研究项目QuTech，使用“硅原子点”技术，通过向纯硅中加入电子造出的人造原子，微波控制电子的量子态。但是该技术远远落后于囚禁离子和超导量子技术。微软选择基于非阿贝尔任意子的拓扑量子比特，电子通过半导体结构时会出现准离子，他们交叉路径可以用来编写量子信息，可以减少错误修正比特数量，但是还需要进一步验证其是否存在。而 ionQ 的Chris Monroe 则坚持囚禁离子技术，并研究如何对离子进行控制。
高级编程语言可以让程序员在不接触底层机器代码的情况下进行工作，而传统的编程语言将指令转换成二进制机器代码，不能被量子计算机运行，因此需要开发一种可以运行在量子计算机上的新语言。微软开发了针对量子计算机的语言和工具 “LIQUI|>”，可以描述量子算法，进行优化和汇编，最终能够运行在量子设备上。通过在传统计算机上模拟量子硬件，将量子算法在模拟计算机上迭代测试改进，如求解极大数值的质因数算法，从而使用量子算法解决更多在传统计算机上无法完成的计算量巨大的问题。
在量子计算的研究领域主要研究团队有微软联合加州大学圣芭芭拉分校 Station Q 实验室，Redmod 的 QuArC 团队，荷兰代尔夫特理工大学的 QuTech 实验室，普渡大学的 Station Q Purdue 实验室，马里兰大学，悉尼大学，哥本哈根大学的 QDev 实验室，苏黎世联邦理工学院的世界性的团队来研究量子计算的数学和物理技术。谷歌与加州大学圣芭芭拉分校 John M.Martinis 团队合作利用超导体建立量子计算机。IBM 的沃森实验室，耶鲁大学 Schoelkopf 实验室，NASA 量子人工智能实验室以及国内的中科院量子信息重点实验室等越来越多的团队均在关注量子计算研究领域。以下为2016年部分量子计算的相关论文：
⒈ High Performance Emulation of Quantum Circuits
【摘要】《对量子电路的高性能仿真》由 Intel 理论物理研究所和微软量子结构与计算小组合作完成，发表在2016年的 SC 会议。当前由于量子计算机仍然不能投入使用，因而针对于量子算法的研究和调试过程仍然需要用到仿真（simulate）的方法，具体过程是将量子状态转换为矩阵向量的表示形式，再对其进行门级操作。由于需要计算的矩阵向量规模十分庞大，因而仿真的计算过程是 memory-limited 和 bandwidth-limited 的。本文提出了通过模拟（emulate）的方法来对量子算法的正确性进行验证。与仿真（simulate）相比，模拟过程是以更高层、更抽象的方式描述和验证算法行为，其过程并不涉及到算法在进行相关量子转化后的大量计算，故大大降低了验证的计算开销。
【点评】文中提出的 emulate 方法相较于原先的 simulate 方法，有着更为完善的环境支撑（包括编程语言和编译框架等的支持），故能在更高的层次中抽象出算法的逻辑功能，从而大幅度提高了量子算法验证工作的工作效率。
⒉ Design Automation and Design Space Exploration for Quantum Computers
【摘要】《量子计算的设计自动化和设计空间搜索》由微软研究院的 Redmond 团队和瑞典联邦理工学院的集成系统实验室完成，展示了可伸缩的可逆（reversible）电路逻辑综合算法结合传统逻辑综合算法可以让可逆电路在更多功能领域得到应用。其提出了一个设计流，如图1所示：从用 Verilog 进行不可逆的设计描述；到用逻辑综合算法将其转换，使其对可逆逻辑综合算法兼容；最终将其编译为量子电路。设计师可以从空间（量子比特 qubit 的个数）和时间（量子操作的数目）角度对综合输出进行优化。作为结果，该设计流可以增强量子体系结构的鲁棒性，并且其进一步允许研究者在开发量子算法和架构的时候能够适应计算以及其他功能的开销。本文通过寻找一种高质量的可逆实现对不同位宽的x值进行倒数计算，来说明设计流的强大功能。
【点评】提出了一种通用的设计流，用于量子计算机中的可逆逻辑综合设计。该设计流采用 Verilog 编程作为输入，使用经典逻辑合成算法将其转换为适合可逆逻辑综合算法的形式。其使得相关的设计探索成为了可能，并且令设计者可以从量子计算机中 Tgate 或者量子比特的数量、从时间和空间角度进行相应的优化。该工作提供了使量子计算机实用化的必要工具，例如量子线性系统算法和量子模拟算法。
图1 四级的设计流
⒊ QX: A High-Performance QuantumComputer Simulation Platform
【摘要】《QX：高性能的量子计算机仿真平台》由荷兰代尔夫特理工大血的 QuTech，计算机工程实验室完成，将发表在2017年的 DATE 会议。量子计算快速发展，尤其是发现了一些有效的量子算法来解决难解的经典问题之后，如因数分解算法。然而，实现大规模的物理量子计算机是个很大的挑战，量子位数量仍然少（小于15）。测试和开发量子算法也十分关键，但是由于存储和计算资源需求，在经典计算机上仿真量子计算机（如图2所示，量子计算机系统层次）有难度。本文提出了一个通用的量子计算机仿真器 QX，其架构如图3所示，可以看作是将输入专门的量子汇编语言 QASM，通过优化，快速的仿真大量的量子位。QX 可以仿真高达34个完全纠缠的量子位，在一个单独的节点上，使用少于270GB的存储。实验使用不同的量子算法，显示出 QX 与相似的当今仿真环境相比，可以得到很好地仿真加速比。
【点评】仿真器的主要目的是实验，测试和验证量子计算机执行量子算法的能力，仿真器有以下的特点：
⑴有一个紧凑表达性好的编程语言 QASM，描述量子电路，包括并行度和二进制控制。
⑵一个直观的量子编程接口，可以设计和测试量子电路，算法和协议。
⑶可以应用多种量子噪声模型
⑷可以仿真量子电路的存储消耗和系统时间。
通过设计一个量子汇编器，使用一种完全功能化的汇编级语言，可以描述量子电路，封装执行参数，仿真量子电路。仿真器包括几个模块，量子核，错误模型，容错模型，线性代数曾和XPU分别实现不同量子位数的电路，噪声等的仿真和并行计算。同时对于量子电路中包含的不同门，进行多种优化，如使用专用的指令集进行计算，融合乘法和加法操作减少浮点操作量，用置换操作替代置换矩阵的乘法操作，在多核系统上实现并行计算。实现三个常用的量子算法，与现有的仿真器LIQUi|>（微软提出的一个量子电路仿真平台，定义了一种语言来编程量子算法）相比可以得到14到95倍的仿真加速。
图2量子计算机系统层次结构
图3 QX量子计算仿真器架构
⒋ A Heterogeneous Quantum Computer Architecture
【摘要】《一种异构的量子计算机体系结构》是由荷兰代尔夫特理工大学的 QuTech 团队完成的，发表在2016年的 CF 会议上。这篇论文提出并设计了一种异构的量子计算机体系结构，如图4所示，QUBE 代表量子芯片，其他部分表示控制量子芯片的传统逻辑，指出未来的量子计算机将由经典的计算机和量子计算机组成。由于量子状态的相干效应会导致量子状态信息会泄露给环境，因此在量子算法的执行过程中需要量子纠错机制（QEC），而 QEC 在量子计算机上实现比在经典计算机上实现更为复杂和困难，因此需要经典部分用来进行错误修正，量子部分主要用来负责量子算法的执行和计算。本文具体贡献在于：
⑴首次系统的讨论了算法和量子物理层之间的功能单元。
⑵本文为量子计算机定义了多层系统栈。
⑶本文为控制逻辑和真实的实验量子设备对应的数据通路提出了一种异构的微体系结构。
⑷本文讨论了该体系结构如何尽可能的不依赖于量子算法的实现技术，并且定义了充分减少执行代码的规模和减少执行开销的硬件机制。
【点评】这篇论文首次系统的提出了一种量子计算机的异构体系结构，在该体系结构中，经典计算机充当着为量子计算机执行时产生的误差进行修正的角色。此外，这篇论文详细的讨论了该异构体系结构中的每一层对应的逻辑及功能，也设计了量子计算机整个异构体系结构的硬件电路，并且对每个硬件单元模块进行了详细的解释和说明。同时，开发具体的硬件模块和量子处理器将会是该团队的未来研究工作。
图4 异构的量子计算机微架构
量子计算的研究需要各个研究团队的合作，选择不同类型的量子比特，共享研究进展，在研究中不断扩大量子位规模，从而完成最后的量子计算机。未来的量子计算很大可能混合现有的各种技术，如，用超导体量子位对算法进行运算，再用稳定的离子存储运算结果，机器或网络节点间信息的传递则使用光子。不论何种技术方法，仍需要长时间的探索，才能最终形成一个较为完备的量子计算机系统，进而能够使用其高效地解决更多复杂问题。
（本文由中国科学技术大学计算机学院嵌入式系统实验室的王超副教授和鲁云涛、宫磊、孙凡、张奕玮、徐冲冲等人整理汇总而成。特此感谢！）
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